[論文レビュー] On the Realization of WIMPflation

Marcos A. G. García, Yann Mambrini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 59被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、インフレートン自身が弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）であるダークマター候補であるWIMPflationの実現を、標準模型のヒッグス粒子と大きな四次相互作用（σ ≳ 10⁻³）を介して結合させることで提案する。インフレーションは四次ポテンシャルによって駆動され、再熱はインフレートンの振動期におけるφφ → hh散乱によって起こり、T_reh ≳ 10¹⁴ GeVというほぼ瞬時の再熱が実現される。その後、インフレートンはWIMPに類似した消失反応により凍結し、観測されたダークマターの残存密度および直接検出制約と整合的である。

ABSTRACT

We consider models for inflation with a stable inflaton. Reheating is achieved through scattering processes such as $\phi \phi o h h$, where $h$ is the Standard Model Higgs boson. We consider the reheating process in detail and show that for a relatively large coupling (needed for the late annihilations of the inflaton during freeze-out), reheating is almost instantaneous leading to a relatively high reheating temperature. The process $\phi \phi \leftrightarrow h h$ brings the inflaton back into equilibrium, leading to a well studied scalar singlet dark matter candidate and Higgs portal model. We argue that such models can be derived from no-scale supergravity.

研究の動機と目的

• インフレートンが同時にWIMPダークマター候補である現象論的に妥当なインフレーションモデルを構築すること。
• 安定なインフレートンが崩壊できないため、そのモデルにおける再熱の課題を解決すること。
• φφ → hhのような散乱過程が、インフレートンポテンシャルが四次項支配の下で、放射支配をもたらし、高い再熱温度に至ることを示すこと。
• 自然な安定性とインフレーションの一貫性を保証するため、ノスケール超対称性理論からこのようなモデルを導出できることを示すこと。
• エントロピーの希釈や遅いgravitino崩壊によって過剰なgravitino生成を緩和できることを示し、高エネルギー再熱温度とgravitino問題の両立を実現すること。

提案手法

• k ≥ 4の四次インフレートンポテンシャル V ∝ λ(φ/M_P)^k を用い、振動期にはρφ ∝ a⁻⁴およびρR ∝ a⁻³が成立し、放射支配が可能になることを示す。
• インフレートンφとヒッグス粒子hの間の大きな結合定数σを導入し、φφ → hh散乱を主な再熱機構として可能にする。
• 有効場理論フレームワークを用いて、インフレートンの振動期における再熱率および放射エネルギー密度の時間発展を計算する。
• 放射とインフレートンの振動のエネルギー密度が等しくなる条件から再熱温度T_rehを導出し、大σに対してT_reh ∝ (σ² M_P² / m_φ)^(1/4) となることを示す。
• ノスケール超対称性理論を用いて、インフレートンの自然な安定性と四次ポテンシャル形を保証するUV完全なモデルを構築する。
• 熱歴史を解析し、φφ → hhによるWIMPに類似したインフレートンの凍結を含め、残存密度および直接検出制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定なインフレートンが散乱過程を通じて再熱を可能にしつつ、同時にWIMPダークマター候補として機能できるか？
• RQ2 φφ → hh散乱がインフレートンへのエネルギー移動ではなく、放射支配をもたらす条件は何か？
• RQ3 四次インフレートンポテンシャルと大きなσ結合を持つモデルにおける再熱温度は何か？また、ビッグバン核合成とgravitino問題と整合的か？
• RQ4 このようなモデルはノスケール超対称性理論のようなUV完全な枠組みに埋め込めるか？
• RQ5 XENON1Tのような直接検出実験から、ヒッグスポータル結合定数σに課せられる制約は何か？

主な発見

• インフレートンポテンシャルが四次項支配（k=4）の下では、φφ → hh散乱による再熱が可能かつ効率的であり、ρR ∝ a⁻³および放射支配が成立する。
• σ ≳ 10⁻³の下では、再熱はほぼ瞬時に実現され、最初のインフレートン振動の間に起こり、高い再熱温度T_reh ≳ 10¹⁴ GeVが得られる。
• 高い再熱温度は、エントロピー生成や遅いgravitino崩壊によって緩和されない限り、gravitino過剰生成問題を引き起こす。
• インフレートンはヒッグスポータル結合を持つスカラーシングレットダークマター候補として振る舞い、その残存密度はφφ → hh消失反応によるWIMPに類似した凍結によって決定される。
• XENON1Tの直接検出制約を満たすためにはインフレートン質量が1.4 TeV以上でなければならない。m_φ ≈ m_h/2のヒッグス共鳴領域ではσ ≲ 4×10⁻³、より高い質量ではσ ≈ 0.3–0.5が妥当である。
• ノスケール超対称性理論を用いることで、自然な安定性とインフレーションのダイナミクスを保証するUV完全なフレームワークとして本モデルを実現可能である。